IT9012524A1 - Circuito di potenza per inverter a tensione impressa, a (2*n+1) livelli di tensione - Google Patents

Description

n-esimo della tensione Y, lavorando quindi in campo affidabile, qualunque sia il valore di Y (Fig.3).

TESTO DELLA DESCRIZIONE

L' oggetto della presente invenzione è costituito da un circuito di potenza per inverter a tensione impressa, a (2*n+1) livelli di tensione.

Negli inverters di potenza a tenzione impressa, le tecniche PWM di modulazione di durata degli impulsi (PUM = Pulse Width Modulation) sono impiegate da tempo per controllare il valore dell' armonica fondamentale ed ottenere una riduzione delle armoniche di ordine superiore alla prima.

Poiché la sorgente di tensione in corrente continua b generalmente unica, la tecnica PWM tradizionale impone che, ad ogni commutazione, la tensione ai capi del carico varii di un valore pari alla tensione di alimentazione in corrente continua (cfr. fig. 1) o al doppio di tale valore.

Questa caratteristica, tollerabile in invertitori di piccola potenza o per basse tensioni di alimentazione, diventa un problema per tensioni di alimentazione elevate, specie se ciò richiede di mettere in serie i componenti a semiconduttore.

Infatti:

- le commutazioni impongono al carico gradini di tensione elevati, spesso non tollerabili nel caso si tratti di avvolgimenti di un motore;

la commutazione contemporanea di più semiconduttori in serie, in particolare del tipo a spegnimento comandato (transistor, GTO, IGBT), comporta gravi problemi, talvolta non risolvibili praticamente.

A queste limitazioni si è tentato di porre rimedio con più alimentatori in corrente continua, oppure con l' impiego di partitori capacitivi.

Questa soluzione nota è descritta in dettaglio nell' articolo GENERALIZED STRUCTURE OF A MULTILEVEL PUIM INVERTER, di Pradeep M. Bhagwat, pubblicato su IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. IA-19, No. 6, Novembre/Dicembre 1983.

Queste configurazioni, pur risolvendo il primo problema, lasciano aperto il secondo, cioè la commutazione di più componenti in serie.

Soltanto la configurazione NPC (neutral point clamped), proposta da NABAE ed altri nel 1981, risolve entrambi i problemi, però soltanto per tensioni di alimentazione in corrente continua che comportino l' impiego di non più di due componenti in serie.

A questo proposito si veda l' articolo A NEW NEUTRAL POINT CLAMPED PWM INVERTER, pubblicato su IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS, Vol. IA-17, No. 5, SEttembre/Ottobre 1981.

Ciò impone, in pratica, una limitazione verso ]' alto del livello di tensione, lato corrente continua, che è dell' ordine della massima tensione di blocco dei componenti impiegati <nel caso della coniigurazine NPC), tenuto conto che, per varie ragioni, occorre sempre un rapporto circa pari a due tra la massima tensione bloccabile dai componenti in serie e la tensione nominale lato corrente continua; cioè:

1400-1500 V c.c. con transistor da 1400 V,

4000-5000 V c.c. con GTO da 4500 V,

1200-1400 V c.c. coniGTB da 1200 V.

La soluzione proposta secondo la presente invenzione rimuove le limitazioni sopra esposte. Essa si applica ad un" unica sorgente di tensione in c.c., di qualunque valore, e permette di impiegare qualunque tipo di componente a semiconduttori riuscendo a soddisfare un qualunque numero dì livelli di tensione al carico.

Per ragioni di complessità circuitale, si prevede però che il valore di (n) che definisce il numero di livelli di tensione non sia superiore a quattro.

L' invenzione si riferisce ad un circuito di potenza per inverter, a tensione impressa a 2n+1 livelli di tensione, che è costituito da un filtro di ingresso con partitore resistivo capacitivo, formato da una serie di (n) filtri elementari RC realizzati dal parallelo delle capacità C(i) con le resistenze R(i) (Vedi figura 3; in figura 2 è riportato il caso di n=3).

Ogni -filtro elementare i-esimo è connesso al successivo (i+1)-esimo nel punto di connessione N(i).

Il circuito di potenza può essere sia monofase che trifase:

nel caso monofase è costituito da due serie identiche, ciascuna di 2n componenti a semiconduttore, ognuno di essi accoppiato con un proprio diodo in antiparallelo; dette serie sono indicate con S(j) ed S' ), con j uaraibile da 1 a 2n; il componente j-esimo di ogni serie è connesso al successivo punto di connessione intermedio P(J) o P'(j).

- nel caso trifase, è costituito dalle serie S(j), S'(j) ed S"(j) rispettivamente; i punti intermedi di connessione sono P(j), P'(j) e P"(j).

Il carico da alimentare è disposto tra i punti di connessione centrali di ogni serie P(n) e P'(n),'per il mono-fase, e tra P(n) e P"(n), per il caso trifase,

Nel caso monofase, i punti intermedi N(i) del filtro partitore sono collegati sia ai punti P(j) e P(i+n) della serie S(j), tramite i diodi di aggancio DC(i) e DC(i+n+l) rispettivamente, sia ai punti P'(i) e P'(i+n) della serie S'(j) tramite i diodi DC'(i) e DC'(i+n+l) rispettivamente.

Nel caso trifase i punti Nii) sono connessi ovviamente anche con P"(i) e P"(i+n) tramite DC"(i) e DC"(i+n+l). I punti centrali Pin), P'(n) e P"(n), quest' ultimo per il caso trifase, sono connessi solo al carico.

Gli oggetti, vantaggi e caratteristiche dell' invenzione risulteranno inoltre dalla descrizione che segue con riferimento alle allegate tavole di disegni in cui:

la figura 1 mostra un circuito di potenza per inverter monofase a tensione impressa, di tipo tradizionale, cui si è già fatto riferimento nella parte introduttiva della descrizione e che non richiede ulteriori spiegazioni;

- la figura 2 mostra lo schema circuitale di un circuito monofase di potenza con partitore a tre filtri e quindi a sette livelli di tensione;

- la figura 2BIS mostra uno dei possibili schemi di alimentazione del partitore;

- la figura 3 è uno schema circuitale generalizzato relativo a (2*n+1) livelli di tensione.

le figure 4 a 7 mostrano schematicamente le quattro fasi di alimentazione del carico nel caso di uno schema circuitale del tipo illustrato nella figura 2.

Nella figura 2 con Vcc è indicato un generatore di corrente continua a bassa impedenza. Con Lf è indicata una impedenza e con C1, C3, C3, sono indicati tre condensatori disposti in serie e connessi da punti di connessione NI ed N2.

Ai due poii A e B del generatore di c.c. sono inseriti, in parallelo, due serie di sei componenti a semiconduttori, operanti come interruttori ed indicati con SI,...., Sé e rispettivamente S'1, S'6.

Con P1, . P5 e rispettivamente con P"1

P'5 sono indicati i punti di connessione tra 1e coppie contigue dei citati dispositivi a semiconduttori.

Il carico da alimentare è inserito tra i punti di connessione centralidelle due serie SD, P3 e P'3.

A parte questa coppia di punti di connessione intermedi, i rimanenti punti di connessione omologhi sono connessi ai punti di connessione dei condensatori C(i) nel modo seguente;

I punti PI e rispettivamente P'1, attraverso i diodi DC1 e rispettivamente DC'l, sono connessi al primo punto di connessione NI tra i condensatori C.

Allo stesso punto NI sono ugualmente connessi, attraverso diodi DC3 e rispettivamente DC'3, i punti di connessione P4 e rispettivamente PM . Lo stesso vale per i punti P2, P'2 e P3, P'3.

Qui di seguito è descritto il circuito di potenza nel caso trifase; questa descrizione non fa riferimento ad una figura specifica ma può essere interpretata attraverso la lettura della figura 3, per quanto questa si riferisca specificamente al caso monofase.

Nel caso trifase il circuito di potenza comprende invece tre serie simmetriche di (2*n) componenti a semiconduttori SCI) . S(2n); S'(1). S'(n); S"(1). SM(n), rispettivamente, operanti come interruttori.

Detti componenti di ciascuna serie sono connessi tra loro in (2*n-l) punti di connessione P(i), .

P(2n-1), P'(1). . P'(2n-1), P"(1). .

P"(2n-1), rispettivamente.

Le tre serie simmetriche sono disposte in parallelo ed il carico tri-fase da alimentare è collegato ai tre punti di connesione centrali di ciascuna serie di 2*n componenti a sem iconduttori, e cioè ai punti P(n), Py(n) e P"(n), rispettivamente.

Come nel caso monofase, poi, i punti di connessione omologhi P(i), P'(i) e P"(i), con (i) compreso tra 1 ed n-1, sono connessi, a coppie, a mezzo di corrispondenti diodi DC(i), DC'(i), e DC (i), ai nodi di connessione N(i) degli (n) condensatori C. La modalità di connessione è la seguente: il catodo di DC(i) è collegato a P(i), mentre il suo anodo è collegato al catodo di DC(i+n-1) ed al nodo N(i), ed infine ]' anodo di DC(i+n-l) è connesso al punto P(i+n).

Analogamente il catodo di DC'(i) è connesso a P'(i), il suo anodo è connesso a N(i) ed al catodo di DC'(i+n-l), il cui anodo è a sua volta connesso a P'(i+n).

DC"(i) e DC"(i+n-l) sono connessi secondo lo stesso criterio.

Si fa espressamente notare che al nodo N(i) convergono dunque gli anodi di DC(i), DC'(i) e DC"(i), ed i catodi di DC(i+n-l), DC'(i+n-l) e DC"(i+n-1) e che ai punti centrali P(n), P'(n) e P"(n) non è connesso alcunché all infuori del carico.

Infine, le quattro sequenze illustrate nelle figure da 4 a 7 illustrano come sia possibile connettere, attraverso un interruttore allo stato solido, uno dei terminali del carico P(3), rispettivamente ai livelli di tensione Vcc, (2/3)*Vcc, (l/3)*Vcc e zero.

Come si vede dalle figure appena descritte, i livelli di tensione in cui si vuole suddividere la tensione di alimentazione sono ottenuti, come nelle soluzioni note, attraverso un partitore resistivo capacitivo; i valori delle capacità sono scelti con criteri analoghi a quelli del dimensionamento del filtro in continua di un normale inverter a tensione impressa.

I condensatori suddetti svolgono così una doppia funzione: assicurano una bassa impedenza di uscita all' inverter e, contemporaneamente, assicurano la ripartizione statica e dinamica della tensione ai capi dei vari componenti in serie.

Come già detto il componente a semiconduttore è indicato con un interruttore.

Il numero degli interruttori tra il polo positivo (A) ed il polo negativo (E) del generatore di corrente continua è pari al doppio del numero di condensatori C.

Nella -figura 2 per semplicità ci si è limitati a porre n—3 ma, come si vede nella successiva figura 3, la struttura rivendicata si estende facilmente a (n) uguale a 4, 5, etc., sia per il caso monofase che per il caso trifase.

Per garantire che ciascun interruttore non debba mai sostenere una tensione superiore a quella esistente ai capi di ciascun condensatore del filtro partitore capacitivo e quindi (a parte scostamenti di minore entità sui quali si tornerà nel seguito) pari a Ucc/n, con (n+l) pari al numero di livelli possibili di tensione, occorre introdurre l' impiego dei diodi di aggangio (clamp) indicati con DCCi), DC'(i), rispettivamente DC(i+n-l), DC'(i+n-l).

La funzione di tali diodi è quella di agganciare gli elettrodi degli interruttori aperti al filtro partitore capacitivo.

La figura 3, come detto sopra, si riferisce ad un dispositivo secondo l' invenzione che comprende (n) elementi e che consente quindi di realizzare (n+l) livelli di tensione.

In questo caso per ottenere i livelli di tensione 0, Vec/n, 2*Vcc/n. . (n-l)*Vcc/n, Vcc, gli Interrutori vanno comandati in posizione accesa CON) o spenta (OFF) secondo quanto indicato nella tabella 1.

In pratica il comando dell' interruttore S(i) e quello dell' interruttore S(n+i) debbono essere in posizione opposta e cioè, quando l' uno è acceso, l' altro deve essere spento e viceversa. in questo modo la tensione ai capi di ciascun interruttore non supera il valore Vec/n, ovviamente tener conto delle sovratension i commutazione

Qualora l' inverter eroghi corrente al carico da livelli di tensione diversi da quelli estremi, cioè con i poli di commutazione connessi ad uno qualunque dei punti intermedi del partitore, se non si adottano speciali accorgimenti, il partitore stesso tenderà a sbilanciarsi.

Il primo accorgimento possibile è quello di alimentare ciascun livello di tensione tramite più generatori di tensione, posti tra loro in serie e connessi ai rispettivi nodi N(i), secondola -figura 2BIS. Qualora ciò non fosse possibile, si può

ricorrere ad un secondo accorgimento consistente nel far sì che le correnti che -fluiscono attraverso i rami (i) in uscita dal partitore siano mediamente nulle.

Ciò può essere realizzato se si tien conto che le tensioni concatenate in uscita dall' inverter possono essere sintetizzate in più di un modo; precisamente, per un inverter monofase con partitore ad (n) livelli, i modi possibili per re izzare le varie tensioni sono:

Pertanto, poiché le tensioni intermedie sono realizzabili mediante più configurazioni si scelgono di volta in volta le configurazioni che permettono di riequilibrare il partitore. Con questo accorgimento è possibile mantenere un valore medio nullo della corrente in ogni ramo (i) del partitore entro pochi periodi della portante triangolare che genera il PWM o comunque limitare drasticamente lo sbilanciamento del partitore stesso.

Sebbene per ragioni descrittive la presente invenzione sia stata basata su quanto precedentemente descritto ed illustrato, molte modi-fiche e varianti possono essere apportate nella realizzazione del trovato; tali modifiche e varianti debbono tuttavia essere considerate come basate sulle rivendicazioni che seguono.

Claims (3)

1. RIVENDICAZIONI 1) Circuito di potenza per inverter a tensione impressa, a (2*n+l) livelli di tensione, del tipo che comprende un partitore resistivo capacitivo formato da una serie di (n) filtri elementari RC realizzati dal parallelo delle resistenze R(1), ...., R(n) con i condensatori C(1), ...., C(n), connessi tra loro in (n-l) punti di connessione NC1). . N(n-I), caratterizzato dal fatto che esso comprende almeno due serie simmetriche di (2*n) componenti a semiconduttori S(1). S(2*n), rispettivamente S'(1). S'(2*n), ognuno accoppiato con un proprio diodo in antiparallelo DC1), ...., D(n) e rispettivamente . D'(n), operanti come interruttori, detti componenti a semiconduttori di ciascuna serie essendo connessi tra loro in (2*n-1) punti di connessione PCI). P(2*n-I) e rispettivamente P'(1). , P'(.2*n-i), dette due serie simmetriche essendo disposte in parallelo; in cui il carico da alimentare è disposto tra i punti di connessione intermedi PCn) e P'(n) delle due serie di (2*n) componenti a sem iconduttori; in cui inoltre i punti di connessione omologhi Pii) e P'(i), con (i) compreso tra 1 e (n-1), sono connessi, a mezzo di corrispondenti diodi DC(i), rispettivamente DC'(i), ai punti di connessione NCk) degli (n) condensatori C(i), con (K) compreso tra 1 ed n-1; ed in cui inoltre, agli stessi punti di connessione Nik), sono connessi, a mezzo di diodi DC(r), rispettivamente DC'(r), con (r) compreso tra (n) e (n-2), i punti di connessione omologhi P(j) e rispettivamente P'(J), con (j) compreso tra (n+l) e (2*n-l).
2. 2) Circuito di potenza per inverter a tensione impressa, a (2*n+l) livelli di tensione, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal -fatto che, nel caso di un circuito mono-fase, esso comprende due serie simmetriche di (2*n) componenti a semiconduttori S(1), . S(2*n), rispettivamente s'( ),. ...., S'(2*n).
3. 3) Circuito di potenza per inverter a tensione impressa, a (2*n+l) livelli di tensione, secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, nel caso di un circuito trifase, esso comprende tre serie simmetriche di (2*n) componenti a semiconduttori S(l). . S(2*n), S'(i). . 5'(2*n), S"(1). S"(2*n). 4? Circuito di potenza per inverter a tensione impressa, a (2*n+1) livelli di tensione, secondo le rivendicazioni precedenti, sostanzialmente realizzato e posto in opera secondo quanto descritto.